CN107607374A - 一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，涉及土工试验仪器。该试验系统由轴向和扭转驱动装置、压力室、内外围压、气压和反压控制器、数据采集器和计算机组成，可实现进行控制吸力的非饱和土空心扭剪试验。轴向和扭转驱动装置可提供轴向应力和扭矩；压力室底座镶有高进气值陶土板，陶土板与空心圆柱试样底部相连；压力室底部有内外围压、气压和反压控制器输入接口以及孔隙水（气）压传感器测量接口；压力室内可设置局部位移传感器，测试试件内、外壁径向位移和轴向位移；试样顶部通过透水石与试样帽接触；试样帽设有孔隙气压入口和出口，用于孔隙气压的施加和量测；试样帽上部为轴力/扭矩传感器，可测定非饱和试样的轴向应力和剪切应力，实现主应力轴旋转条件下非饱和土力学参数的测定。

Description

一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，特别涉及一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统。

背景技术

工程实践中遇到的诸如路基和大坝的不均匀沉降和湿化变形、平山造地形成的巨厚填方的不均匀沉降、大厚度黄土的湿陷、膨胀土的湿胀干缩、深基坑和高边坡的失稳、城市垃圾填埋场的覆盖层设计、高放废物深地质处置库的缓冲材料在热–水–力–化学耦合条件下的长期性能等都涉及非饱和土力学问题。岩土工程领域所涉及的大部分工程实践如路基填筑、基坑开挖、边坡滑移甚至煤矿巷道开挖等问题中土体所受的大主应力方向与竖直方向夹角将发生改变，特别是对高速铁路、公路地基而言，高速交通循环荷载作用将导致地基土的大主应力σ ₁与竖直方向的夹角α时刻改变，导致地基土单元受力发生主应力轴连续循环，将使土体产生孔压积累、加剧土体累积塑性应变，引发土体次生各向异性和强度的变化。在实际工程中，若忽略这种变化将低估非饱和土的变形而使工程设计偏于不安全。

目前测试非饱和土力学特性的主要仪器包括：非饱和土固结仪、直剪仪、渗气仪、标准三轴仪、温控三轴仪、多功能三轴仪和土工 CT-三轴仪等，通过试验研究，揭示了非饱和土与特殊土的水气运动规律及变形、强度、屈服、水量变化、湿陷、湿胀、细观结构演化、温度效应等许多重要力学特性规律；构建了岩土力学的公理化理论体系与多种组合形式的非饱和土的应力状态变量；提出了各向异性多孔介质的有效应力理论公式与非饱和土的有效应力理论公式；建立了非饱和土、湿陷性黄土和膨胀土的本构模型谱系与分别考虑密度、净平均应力和偏应力影响的广义土–水特征曲线模型谱系；创立了非饱和土三维固结理论及其固结模型谱系；自主研发了分析固结问题的系列软件，求得一维固结问题的解析解和二维固结问题的数值解，形成了完整的理论体系。但工程实践遇到的非饱和土问题大多数主应力轴方向是发生旋转的，已有的研究结果表明主应力轴旋转条件下土体的力学性质将发生显著改变，而目前的非饱和土直剪仪、固结仪和三轴仪等实验设备尚无法考虑主应力轴旋转的影响，主应力轴旋转导致的非饱和土强度和变形特性研究尚无法开展。

为解决现有技术的缺陷，本发明提出一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，可满足控制和量测吸力条件的主应力轴定向剪切和循环旋转应力路径下非饱和土力学特性试验的要求，为研究主应力轴偏转条件下非饱和土的强度特性、变形特性、各向异性和非共轴特性提供试验数据和科学依据，可促进实验非饱和土力学的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，可以开展主应力轴旋转条件下非饱和土的空心扭剪试验。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；数据采集系统和计算机控制系统。

所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达。

所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和反压传感器相连。空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置。

所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制。所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内围压控制器（2）、外围压控制器（1）和反压控制器（3）适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器。控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化△V。将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。

所述空心圆柱压力室底座镶嵌有环形高进气值陶土板（HAEPD）（11），以便空心圆柱土样中的水可以通过而施加的气体不能通过。从而达到既可控制基质吸力而又可排水的目的，所述环形高进气值陶土板通气压力值5Bar。

所述空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压进气（水）管路，可通过内围压控制器（2）、外围压控制器（1）、气压控制器（4）和反压控制器（3）施加内、外围压、气压和反压；压力室底座与气压传感器（31）和孔压传感器（29）相连，可以测试试样的孔隙气压和孔隙水压；所述内、外围压和反压控制器规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器；所述气压控制器规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器（4）。

所述空心圆柱压力室内腔中部向下1/4位置设置局部外壁位移传感器（13）和LVDT位移传感器，可测试试件外壁径向位移以及轴向位移变化；试样内壁装有霍尔效应传感器和LVDT位移传感器，可测试试样内壁径向位移以及轴向位移变化；根据试验内外壁径向位移和轴向位移变化可进行试验受力状态分析。

空心圆柱试样底部与环形陶土板（11）相连，以便反压施加的水可以通过而气体不能通过；试样顶部与透水石（20）相连，透水石（20）上部与试样帽（34）相连，孔隙气压通过试样帽（34）上预留孔道相连，使通过气压控制器施加的空气与试样中的孔隙气体连接，以量测、控制土样中的孔隙气压力和整个试样系统中空气体积变化，从而控制试样的基质吸力。

所述信号调节装置包括模拟信号调节和数字信号调节。模拟信号调节包括一个8通道的电脑板，可以为每个传感器提供激励电压、调零和设置增益值。该电脑板安装在一个独立的装置（DIT）内。数字信号调节固化于DIT内，包括一个8通道电脑板用于连接从HSDAC卡到马达控制器及其他设备的数字信号。

所述数字控制系统以GDSDCS高速数字控制系统为基础，该系统有位移和荷载闭环反馈。GDSDCS配有16bit数据采集（A/D）和16bit控制输出（D/A）装置，以每通道10Hz的控制频率运行，每个循环可以有1000个数据控制和釆集点；1Hz时每个循环可以有10 000个数据控制和釆集点。

非饱和土的空心圆柱试验系统可通过其自身的PID控制器，控制比例增益K _p、积分增益K _I和微分增益K _D来来实现不同应力路径的试样主应力轴旋转试验和定向剪切试验。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是能够通过在现有空心圆柱试验系统基础上，增加陶土板和空气压力/体积控制器以及孔隙气压力传感器、内/外壁位移传感器等，可测试主应力轴定向剪切和旋转试验时非饱和土样的内/外壁径向、轴向和环向位移及应力。本发明装置结构设置合理，使用方便，满足了控制和量测吸力的主应力轴定向剪切和循环旋转条件下非饱和土力学特性试验的要求，为研究主应力轴偏转条件下非饱和土的强度特性、变形特性、各向异性和非共轴特性提供试验数据和科学依据，可促进实验非饱和土力学的发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1 为GDS非饱和土空心圆柱试验系统整体结构图

图2 为压力室结构图

图3 为压力室系统联通管路图

图4 为孔隙气压排气阀与气压传感器布置图

图5 为孔隙水压排气阀与水压传感器布置图

其中：1、外围压控制系统；2、内围压控制系统；3、反压控制系统；4、气压控制系统；5、数据控制/采集系统；6、计算机控制系统；7、轴力（轴向位移）控制系统；8、扭矩（扭剪角）控制系统；9、孔隙水压控制阀门；10、孔隙气压控制阀门；11、高进气值陶土板；12、外压力室；13、局部外壁位移传感器；14、轴力/扭矩耦合传感器；15、外围压控制阀门；16、内围压控制阀门；17、反压控制阀门；18、气压控制阀门；19、传感器连接线缆；20、透水石；21、内压力室；22、外围压入口；23、气压入口；24、反压入口；25、内围压入口；26、孔隙水出口；27、孔隙气出口；28、三通阀；29、孔隙水压传感器；30、排水阀门；31、孔隙气压传感器；32、排气阀门；33、轴力、扭矩加载基座；34、试样帽；35、轴向位移传感器；36、仪器框架；37、仪器基座。

具体实施例

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；信号调节装置、数字控制系统和计算机控制系统。

所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达。

所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和孔隙水压传感器相连。空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置。

所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制。所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内外围压和反压控制器适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器。控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化。将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。

所述空心圆柱压力室底座镶嵌有环形高进气值陶土板（HAEPD）（11），以便空心圆柱土样中的水可以通过而施加的气体不能通过。从而达到既可控制基质吸力而又可排水的目的，所述环形高进气值陶土板通气压力值5Bar。

所述空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压进气（水）管路，可通过内围压控制器（2）、外围压控制器（1）、气压控制器（4）和反压控制器（3）施加内、外围压、气压和反压；压力室底座与气压传感器（31）和孔压传感器（29）相连，可以测试试样的孔隙气压和孔隙水压；所述内、外围压和反压控制器规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器；所述气压控制器规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器（4）。

所述空心圆柱压力室内腔中部向下1/4位置设置局部外壁位移传感器（13）和LVDT位移传感器，可测试试件外壁径向位移以及轴向位移变化；试样内壁装有霍尔效应传感器和LVDT位移传感器，可测试试样内壁径向位移以及轴向位移变化；根据试验内外壁径向位移和轴向位移变化可进行试验受力状态分析。

空心圆柱试样底部与环形陶土板（11）相连，以便反压施加的水可以通过而气体不能通过；试样顶部与透水石（20）相连，透水石（20）上部与试样帽（34）相连，孔隙气压通过试样帽（34）上预留孔道相连，使通过气压控制器施加的空气与试样中的孔隙气体连接，以量测、控制土样中的孔隙气压力和整个试样系统中空气体积变化，从而控制试样的基质吸力。

所述信号调节装置包括模拟信号调节和数字信号调节。模拟信号调节包括一个8通道的电脑板，可以为每个传感器提供激励电压、调零和设置增益值。该电脑板安装在一个独立的装置（DIT）内。数字信号调节固化于DIT内，包括一个8通道电脑板用于连接从HSDAC卡到马达控制器及其他设备的数字信号。

所述数字控制系统以GDSDCS高速数字控制系统为基础，该系统有位移和荷载闭环反馈。GDSDCS配有16bit数据采集（A/D）和16bit控制输出（D/A）装置，以每通道10Hz的控制频率运行，每个循环可以有1000个数据控制和釆集点；1Hz时每个循环可以有10 000个数据控制和釆集点。

非饱和土的空心圆柱试验系统可通过其自身的PID控制器，控制比例增益K _p、积分增益K _I和微分增益K _D来来实现不同应力路径的试样主应力轴旋转试验和定向剪切试验。

试验步骤如下：

（1）制备空心圆柱试样。原状样制备方法为：利用切土器将土样切削成直径Φ=100 mm,h=200 mm的圆柱试样。然后将圆柱样放入护筒中，在内径切土器上进行内芯的切取；重塑样制备方法为在圆柱护筒内制备与原状样具有相同干密度和相同尺寸的圆柱试样，之后再在内径切土器上进行内芯的切取，制备空心圆柱试样。

（2）饱和陶土板

①不装试样，关闭压力室各个阀门，给压力室内充满无气水（如蒸馏水）。

②打开压力室排水阀门和围压阀门，施加围压300 kPa ~ 400 kPa，直到排水阀有较多水排出。

③冲洗陶土板下积聚的气泡，打开充水阀，让无气水流过陶土板下的螺旋槽，冲洗30s，关闭充水阀。

④重复第③步，直到排水阀有连续水排出，卸除压力。

（3）装试样

①将制备好的空心圆柱试样固定在装样器中，并进行内膜和外模的安装。装样器由基座、内膜定位片、顶盖、帽盖和支架组成。装样主要分内膜底部安装、外模安装、顶盖安装、内膜顶部安装和盖帽安装五步。当需要测试空心圆柱试样局部径向应变时，应在装样前在试样外壁中部向下1/4位置贴上锡箔片，以此作为局部应变传感器的感应面。锡箔片应在满足试样变形范围下尽量小，以减少对试样应力的影响。

②取下压力室上罩，用湿毛巾擦去陶土板顶面的余水。

③将试样平移入压力室内，并将试样基座用螺丝固定在压力室转台上。

④将试样定位后，安装局部外壁位移传感器（13）和LVDT位移传感器。

（4）连接管路

连接内、外围压、气压和反压控制器管路与压力室底座和压力室帽上相应连通孔，使内、外围压、气压和反压管路联通。

①连通内压管路

首先进行内围压接入管路的排气，待管路中无气后将其与顶盖内压连通孔连接；之后对内压控制器进行排水控制，使试样内压腔中余气从内压连通孔排出；待排气完成后，再将内压排气管与内压连通孔相连；最后将排气阀打开，再对内压控制器进行排水控制，待整个內围压管路排气完成后，关闭排气阀。

②连通反压管路

将反压控制器接入管与陶土板的进水管相连，出水管与孔隙水压力阀相连，进行管路排气后，关闭孔隙水压力阀门。

③连通气压管路

将气压控制器接入管与试样帽（34）入口相连，并与试样联通。对气压控制器施加孔隙气压力，使孔隙气压与试样帽（34）气压出口相连通并接入到孔隙气压力传感器，以量测或施加孔隙气压力。

④连通外压管路

内压、反压和气压管路连通后，降下压力室外罩，并用螺丝拧紧，保证压力室密封。打开压力室进水阀，采用自吸式水泵对压力室外腔进行注水，充水直至压力室顶部出水阀连续出水为止，关闭压力室出水阀和进水阀，准备开始试验。

（4）初始基质吸力的测量

管路连通后，调整轴向位移传感器的位置，使试样充分与压力室底座陶土板充分接触。试样安装好后，将压力室内充满无气水，施加相同数值的内、外围压并同步施加孔隙气压，保持内外围压值高于气压5~10 kPa，防止橡胶膜被胀裂。保持此状态约12~18 h，直至孔隙水压稳定后，获得试样的初始基质吸力，准备进入下一步试验。

（5）启动计算机控制系统，开始实验

启动GDSLAB软件中非饱和土试验控制模块，通过反压控制器和气压控制器实现对试样内部孔隙水压和孔隙气压的控制，使试样中的水压和气压均匀分布，即达到吸力平衡状态。通过内外围压控制器（1）施加相同数值的内、外围压，通过轴压控制器施加轴向压力，使轴向应力与试样的径向应力和环向应力相等，进行各向等压固结。待试样排水稳定后，即可根据试验目标对试样进行控制吸力的主应力轴定向剪切试验和循环旋转试验。

Claims (7)

1.一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；数据采集系统和计算机控制系统；所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达；所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和反压传感器相连；空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置；所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制；所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内外围压和反压控制器适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器，控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化，将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。

2.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：所述空心圆柱压力室底座镶嵌有环形高进气值陶土板（HAEPD），以便空心圆柱土样中的水可以通过而施加的气体不能通过，从而达到既可控制基质吸力而又可排水的目的，所述环形高进气值陶土板通气压力值5Bar。

3.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：所述空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压进气（水）管路，可通过内围压控制器（2）、外围压控制器（1）、气压控制器（4）和反压控制器（3）施加内、外围压、气压和反压；压力室底座与气压传感器和孔压传感器相连，可以测试试样的孔隙气压和孔隙水压；所述内、外围压和反压控制器规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器；所述气压控制器规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：所述空心圆柱压力室内腔中部向下1/4位置设置局部外壁位移传感器（13）和LVDT位移传感器，可测试试件外壁径向位移以及轴向位移变化；试样内壁装有霍尔效应传感器和LVDT位移传感器，可测试试样内壁径向位移△r _i以及轴向位移△z变化；根据试验内外壁径向位移和轴向位移变化可进行试验受力状态分析。

5.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：空心圆柱试样底部与环形陶土板（11）相连，以便反压施加的水可以通过而气体不能通过；试样顶部与透水石（20）相连，透水石（20）上部与试样帽（34）相连，孔隙气压通过试样帽（34）上预留孔道相连，使通过气压控制器施加的空气与试样中的孔隙气体连接，以量测、控制土样中的孔隙气压力和整个试样系统中空气体积变化，从而控制试样的基质吸力。

6.按照权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于:所述的压力室底座上端面设置有环形陶土板（11），试样帽（34）下端面设置有透水石（20）板，试样与环形陶土板（11）和透水石（20）板自下向上包裹有一层橡皮膜，橡皮膜与压力室底座和试样帽（34）的凹槽之间设置有环形的密封垫圈。

7.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：非饱和土的空心圆柱试验系统可通过其自身的PID控制器，控制比例增益K _p、积分增益K _I和微分增益K _D来来实现不同应力路径的试样定向剪切试验和主应力轴旋转试验。